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机械工程学报 2024年第17期60卷 167-178页

作者：王鸿宇王雪峰赵剑张健黄毓大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 北京大学先进制造与机器人系北京100871 大连海洋大学海洋与土木工程学院大连116023

针对采用高阶基函数的增量谐波平衡法(Incremental harmonic balance,IHB)在分析多自由度非线性介质的带隙性质时存在计算量大且不易收敛的问题,提出一种改进的IHB方法以高效求解外部激励确定情况下频率已知而波矢未知的非线性波动问题... 详细信息

针对采用高阶基函数的增量谐波平衡法(Incremental harmonic balance,IHB)在分析多自由度非线性介质的带隙性质时存在计算量大且不易收敛的问题,提出一种改进的IHB方法以高效求解外部激励确定情况下频率已知而波矢未知的非线性波动问题。该方法将原始波动方程转化为具有任意自由度和任意阶数基函数的时滞微分方程(Delay differential equation,DDE),并构造Jacobian矩阵的解析式,利用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)代替数值积分,并通过收敛性分析确定最小展开阶数及稳态解。以分数非线性(基于赫兹接触定律的晶格)和立方非线性(基于立方弹簧的晶格)模型为例,分析晶格结构的带隙性质。结果表明,当系统处于强非线性时,采用高阶基函数才可获得收敛的稳态解,且计算效率提高220余倍。已知频率计算波矢时的稳态解的收敛性高于已知波矢的情况。非线性强度可以调控带隙的频段和宽度,且非线性越强,带隙的调控范围越大。

关键词：强非线性增量谐波平衡法波动问题时滞微分方程带隙性质

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多相材料声子晶体微结构的拓扑优化设计

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科学技术与工程 2020年第33期20卷 13547-13551页

作者：吴明晨赵铮许卫锴中国船舶重工集团公司第七一三研究所郑州450015 南京理工大学能源与动力工程学院南京210094 沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与仿真重点实验室沈阳110136

声子晶体的带隙特性可以通过调整其周期性的微结构来控制,具有很强的可设计性,因此在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。合理的控制材料的布局和比例,有望得到具有特殊带隙性质的复合材料。通过遗传算法和拓扑优化技术... 详细信息

声子晶体的带隙特性可以通过调整其周期性的微结构来控制,具有很强的可设计性,因此在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。合理的控制材料的布局和比例,有望得到具有特殊带隙性质的复合材料。通过遗传算法和拓扑优化技术研究了二维三相声子晶体的优化设计,并给出了三个算例研究。结果表明:三相材料能够得到更好的隔振效果;对比两相材料,三相声子晶体能够进一步降低禁带频率,并得到更大的相对带宽。可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的。

关键词：声子晶体拓扑优化带隙性质遗传算法多相微结构

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减振降噪复合材料性能预测与微结构设计

减振降噪复合材料性能预测与微结构设计

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作者：汪嘉兴大连理工大学

学位级别：硕士

结构振动和噪声控制在国防工业和民用生活中具有十分重要的意义。利用粘弹性材料的阻尼特性实现结构振动能量的耗散以抑制振动和利用弹性波带隙材料对特定频段波的阻隔特性实现隔振和降噪,是两种减振降噪的有效方法。为了提高粘弹性阻... 详细信息

结构振动和噪声控制在国防工业和民用生活中具有十分重要的意义。利用粘弹性材料的阻尼特性实现结构振动能量的耗散以抑制振动和利用弹性波带隙材料对特定频段波的阻隔特性实现隔振和降噪,是两种减振降噪的有效方法。为了提高粘弹性阻尼材料和弹性波带隙材料的减振降噪性能,需要合理地设计材料的微结构以增大阻尼、调整带隙频段以实现对振动的有效隔断。材料宏观性质对微结构构型依赖关系的建立是实现材料微结构设计的基础。因此,需要构建具有周期性微结构的材料的等效性能快速预测方法。另外,研究发现一些负泊松比材料(如手性材料、内六边形格栅材料等)具有很好的带隙特性,因此可通过设计负泊松比材料的微结构进而设计具有带隙性质的材料。本文研究了可用于减振降噪的复合材料微结构设计与等效性能快速预测方法。研究建立粘弹性复合材料等效性能预测的均匀化方法,以实现阻尼性能与材料微结构之间依赖关系的快速建立;研究负泊松比材料微结构设计,并分析其负泊松比特性以及带隙性能。具体研究内容和成果如下:(1)预测周期性粘弹性复合材料等效复模量的均匀化方法的新实现方法。本文提出了一种基于商业有限元软件的周期性粘弹性复合材料等效复模量预测的均匀化方法的新实现方法(NIAH-VE),为了能够预测任意粘弹性材料的等效性能,本文建立了谐响应分析模型,并提出了一种共节点的双层单元技术。利用新实现方法可以对频域下颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料的等效复模量进行快速预测,通过损耗模量和存储模量可以计算出粘弹性材料的阻尼比,与文献对比,证明该方法对于二维和三维粘弹性材料等效粘弹性性能预测的有效性。另外,假设纤维增强复合材料满足标准三元件固体模型,利用最小二乘法对频域下材料的等效复模量进行曲线拟合,得到时域下的储存模量’11G随时间的变化情况。(2)颗粒增强复合材料粘弹性性能分析。由多种单材料复合而成的复合材料常具有较单一材料更优异的整体力学性能。本文利用推导的预测粘弹性材料的等效复模量的均匀化方法的新实现方法,基于弹性材料和粘弹性材料的组合,研究了特定频率下内嵌型和外包型两种两相颗粒增强复合材料的粘弹性性能,分析了其颗粒相的几何参数(体分比、形状和排布形式)对复合材料的刚度和粘弹性性能的影响,发现颗粒体分比对复合之后材料的阻尼比影响起主要作用,其次是形状,最后是排布形式。复合材料的等效复模量和阻尼比与颗粒体分比的关系是非线性的。此外,本文还研究了全频率范围内,颗粒增强复合材料的阻尼比与基材料阻尼比的关系,以及粘弹性模型的三参数对材料阻尼比的影响,研究发现如果两种基材料在某一频率下阻尼比相同,当基材料用量一定时,则由二者任意复合而成的材料阻尼比与基材料相同,与复合材料的几何拓扑形式无关。(3)预测周期性粘弹性板结构等效复刚度的均匀化方法的新实现方法。板壳结构往往具有一定的隔声隔振性能,由粘弹性材料制备而成的粘弹性板结构则具有更好的减振降噪能力。实现对粘弹性板结构阻尼性能的快速预测有助于不同粘弹性板结构的减振降噪性能的比较和最优选择。本文提出了一种基于商业有限元软件的周期性粘弹性板结构等效复刚度预测的均匀化方法的新实现方法(NIAH-VEP),为了能够预测任意粘弹性板结构的等效性能,该部分同样建立了谐响应分析模型以及双层单元技术以求解复数形式的特征位移场。利用该方法对均匀各向同性板结构和桁架格栅夹芯夹层板的等效粘弹性性能进行预测,计算了不同板结构的等效复刚度,并与文献中进行对比,证明该方法对于板结构粘弹性性能预测的正确性和有效性。该方法的优点体现在,对于具有复杂微结构形式的板结构,新实现方法能够同时使用商业软件中的梁、板、实体等多种单元,大大提高计算效率。(4)新型负泊松比材料设计及带隙性质分析。负泊松比材料中的手性材料以及周期性内凹六边形材料常具有很好的带隙特性。本文提出了一种二维新型负泊松比材料,其特点是一种含周期性异形孔的低孔隙率材料。利用预测周期性弹性材料等效性质的均匀化新实现方法,计算了三种典型低孔隙率材料的等效泊松比,并与基于有限元方法得到的有限尺寸的低孔隙率结构的结构等效泊松比进行对比,发现提出的新型含异形孔的低孔隙率材料具有可调负泊松比性质,通过实验验证了低孔隙率负泊松比结构的拉胀特性。对所设计的低孔隙率负泊松比材料进行带隙性质分析,发现材料泊松比为负且绝对值越大时,带隙宽度越大,带隙中心位置所对应的频率越低,说明所设计的新型低孔隙率材料具有可调的带隙性质。

关键词：减振降噪粘弹性预测负泊松比材料带隙性质均匀化方法

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